CN102445423A - 一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术。该技术以V型折叠腔作为衰荡腔、以DFB激光器作为光源，窄带激光经光分束器及光准直器后，从折叠腔镜处斜入射到光腔内，通过扫描光学无源腔的腔长实现激光与光学腔之间的谐振。从折叠腔镜处射出的谐振光由光准直器汇聚进光纤后，被光分束器分为两束，其中一束用作光反馈信号返回DFB激光器内，由此实现激光与V型折叠腔之间的频率锁定以及DFB激光器的谱线压窄，进而提高光谱系统的稳定度和耦合效率；另一束由光电探测器接收，通过其测得的光衰减曲线求得腔的损耗值。该技术中，通过DFB激光器的电流调制实现激光的开关，通过DFB激光器的温度或电流调节实现激光的调谐，由此实现腔内气态介质的吸收光谱测量或浓度检测。
Description
技术领域 本发明涉及一种气态物质吸收光谱测量及微量气体浓度检测的技术。
背景技术 起源于上世纪80年代初的腔衰荡技术(Cavity ring down technique)，其最初目标主要是为解决高反率膜片的性能标定问题，它巧妙地通过测量光在低损耗光学无源腔内的衰减时间来反演出腔的损耗值，由此精确求得腔镜高反膜的反射率【D.Z.Anderson，J.C.Frisch，and C.C.Masser，“Mirror reflectometer based on optical cavity decay time，”Appl.Opt.，1984，23，1238～1245】。对于光学无源腔而言，腔的损耗除了腔镜损耗外，还主要包括腔内介质的吸收损耗，因此腔衰荡技术除了可用于膜片的损耗标定外，还可应用于气态物质的吸收光谱测量。1988年，O’Keefe等人成功地将该技术应用于氧气分子的禁戒跃迁吸收光谱测量，由此产生了腔衰荡光谱技术(Cavity ring down spectroscopy)【A.O′Keefe and D.A.G.Deacon，“Cavityring-down optical spectrometer for absorption measurements using pulsed laser sources，”Rev.Sci.Instrum.，1988，59：2544～2551】。
在过去近20多年间，各种腔衰荡光谱技术方案都曾被提出和应用，它们各具特色、相辅相成。譬如，根据选用的激光光源类型，腔衰荡光谱技术可分为脉冲型和连续光波型两种。其中，连续波腔衰荡光谱技术因具有更高的光谱分辨率、更强的腔输出光功率且可采用通信领域常用的半导体激光器作为光源而备受科技工作者的青睐，是目前国际上商业化高精度气体分析仪(如Tiger Optics及Picarro等公司的系列产品)的首选方案。此外，采用各种不同结构衰荡腔(包括直腔、折叠腔及环形腔)的腔衰荡光谱系统都曾被应用和研究。1999年，D.Romanini等人提出了一种折叠衰荡腔方案，并将此方案命名为光反馈式腔衰荡光谱技术(Optical feedback cavity ring down spectroscopy)【D.Romanini，A.A.Kachanov，J.Morville，andM.Chenevier，“Measurement of trace gases by diode laser cavity ringdown spectroscopy，”Proc.ofSPIE，1999，3821：94～104】。该方案中，半导体激光器发出的激光从折叠腔镜处斜入射到光腔内，这有效地避免了直腔型光谱系统中因激光在腔镜上的强反射而导致的激光器性能不稳定问题。同时，该方案能充分利用光学谐振腔选模的特点，利用其谐振反馈光信号锁定激光频率并压窄激光谱线，使得光谱系统的稳定性及腔衰荡信号的信噪比大为增强。相比于其它类型的腔衰荡光谱技术方案而言，该种光反馈式折叠腔系统具有器件少、成本低、重复采样频率和信号信噪比高，以及抗震性能优良等优点。然而，该方案还有存在不足之处，如系统光谱分辨率有限、存在标准具效应及谱线纹波效应等等，这些不足限制了该方案的应用。
针对上述折叠腔方案中的不足，本发明提出了一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术方案。该方案中，通过扫描折叠腔腔长实现激光与光学无源腔之间的谐振，由此实现系统的高分辨率光谱测量；通过改变腔衰荡光信号的探测位置，避免光谱系统中可能出现的各种问题，同时节省了系统成本、减少了系统体积，从而为其工程化、便携化提供条件。
发明内容 本发明针对现有技术的不足，通过改变窄带激光与光学无源腔之间的谐振实现方式以及腔衰荡光信号的获取位置，提出了一种利用光反馈式腔衰荡光谱技术进行高光谱分辨率吸收光谱测量以及高灵敏度气体浓度检测的方案。本发明为解决其技术问题所采用的技术方案：一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：
(1)以V型折叠腔作为衰荡腔、以窄带DFB激光器作为光源，激光经光分束器及光准直器后，从折叠腔镜处斜入射到光腔内，通过扫描光学腔的腔长实现激光与光学腔之间的谐振。
(2)从折叠腔镜射出的一路谐振光由光准直器汇聚进光纤内，并被光分束器分为两束。其中一束作为光反馈信号返回DFB激光器内，由此实现激光与光学腔之间的频率锁定以及DFB激光器的谱线压窄；另一束由光电探测器接收，通过其测得的光衰减曲线求得腔的损耗值。
(3)通过DFB激光器的电流调制实现激光的快速开关，通过DFB激光器的温度或电流调谐实现激光波长扫描，由此实现腔内气态介质的吸收光谱测量或者浓度检测。
所述步骤(1)中折叠腔可以为对称或非对称稳定腔结构。
所述步骤(1)中折叠腔各端腔镜反射率大于99.9％，而且越高越好。
所述步骤(1)中DFB激光器的线宽应小于腔内模式间间隔。
所述步骤(2)中光准直器和光分路器可以为自由空间场器件。
所述步骤(2)中光分路器的分光比由光反馈量及腔衰荡信号信噪比共同决定。
所述步骤(3)中DFB激光器的关断方式可采用专用的光开关器件。
相比于国际上现有的光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，本发明通过扫描光学无源腔的腔长实现激光与光学无源腔之间的谐振，从而使得系统的光谱分辨率由激光的最小波长调谐量决定，而不再受腔纵模间隔的限制。同时，本发明将以往光反馈式系统中的探测器位置由衰荡腔两端改为折叠腔镜处，这有如下优势：(1)，降低了系统对衰荡腔两端面镜后表面光学质量的要求，节省了系统成本；(2)，通过降低衰荡腔端面镜后表面的光学质量或者在其后表面涂上匹配液等办法，可有效地消除系统中可能存在的标准具效应；(3)，通过增大两端面镜反射率可进一步提高腔的品质因子、延长腔衰减时间，又不会使得腔衰荡信号明显减弱；(4)，利用光准直器将腔衰荡光信号汇聚进光纤内，可节省常规系统中光电探测器前所需的聚焦系统，从而节省系统成本、减少系统体积；(5)，系统中部分光路在光纤中传输，这使得探测器位置的放置变得灵活，从而为其工程化、便携化创造条件。
附图说明 图1为本发明所述一种光反馈式连续波腔衰荡光谱系统的结构示意图。图中各模块如下：1、压电式腔长调制器；2、V型折叠腔；3、光束准直器；4、光分束器；5、光电探测器；6、DFB激光器；7、系统电路(包括DFB激光器的温度及电流驱动电路、比较触发电路及压电陶瓷驱动电路等)；8、高速数据采集卡及电子计算机。其中，细线及箭头代表光路及其方向，粗线及箭头代表电信号及其方向。
图2为本发明装置实际测得的腔衰荡信号以及水汽吸收谱线。为便于对比，该图还给出了常规光反馈式方案(即探测器位于端面镜后)的测量结果。
具体实施方式 下面结合图1以及图2，详细描述本发明所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术。DFB激光器6在系统电路7中温控及电流驱动模块的控制下工作，其发出的窄带稳频激光从1×2光分路器4中的分支A入射。激光从主路出射后，经光准直器3转换成自由场高斯光束，并从三腔镜V型折叠腔2中的折叠腔镜处斜入射到腔内。该折叠腔2中各腔镜曲率Rn以及腔长L的选择主要考虑两个因素：(1)，需满足光学无源腔的稳定性条件，即0＜(1-L/R1)·(1-L/R2)·(1-L/R3)＜1；(2)，需根据自由场激光束的参数，以模式耦合效率计算公式为依据，尽量提高激光束与无源腔基模间的耦合效率；实际应用中，当选择对称腔结构时，即V型无源腔两臂长相等、两端面腔镜曲率相同，折叠腔镜通常选择平面反射镜片，因为这有利于减少入射激光经过折叠腔镜后的光束畸变，从而提高模式耦合效率。
压电式腔长调制器1在系统电路7所产生的三角波信号驱动下来回扫描V型腔2的腔长，此时腔的纵模位置也会随之来回摆动，当腔纵模位置与激光频率重合时，激光耦合进入V型无源腔2，并在其腔内形成稳定谐振。与以往光反馈式连续波腔衰荡光谱系统不同，本发明中，谐振光经折叠腔镜处透射后，再次通过光准直器3聚焦到光路分束器4的主路上，由光路分束器4将谐振光分成A、B两束。A路中的谐振光沿着DFB激光器的尾纤入射到激光器内，被用作光反馈信号实现激光与V型无源腔4之间的频率锁定以及DFB激光器6的谱线压窄，从而提高系统稳定度以及腔衰荡信号信噪比；B路中的谐振光被直接入射到光电探测器5上进行光电转化。光电探测器5的电信号分为两路，分别连接到系统电路7以及高速数据采集卡8。其中，系统电路7中的峰值探测模块用于获取腔衰荡触发测量的阈值，该阈值电压与比较触发模块的正输入端相连，而系统电路7中比较触发模块的负输入端直接与光电探测器5的输出端相连。当其电压值大于设定的阈值时，系统电路7中的DFB激光器的电路驱动模块通过切断其注入电流迅速关断激光，并同时发出触发信号给高速数据采集卡及计算机8开始采样探测器5的电输出信号，由此实现连续波腔衰荡测量。计算机8利用采集的数据进行拟合求的腔衰减时间，并由此确定该激光波长处的腔损耗值。
DFB激光器6在系统电路7中温控及电流驱动模块的控制下，通过改变其工作温度或者注入电流值，由此实现激光波长的扫描。而且，此时的系统光谱分辨率由DFB激光器的最小波长调谐量决定。每扫描一个激光波长，就按照上述步骤进行腔损耗测量，如此重复，直到测得V型折叠腔2的腔损耗谱。随后，计算机8根据腔内吸收气体的光谱线形拟合所测得的腔损耗谱曲线，由此测得其吸收光谱参数或者求得气体浓度。在较窄的光谱范围内，除腔内气态介质的吸收损耗外，V型无源腔2的其它各类型损耗几乎都不随激光波长的扫描而有所变化，因此吸收谱线拟合时，可将这些损耗项以常数形式表示来简化拟合过程。需要补充说明的是，对于J.Morville等人在其光反馈式连续波腔衰荡光谱系统实验研究中发现的所谓谱线纹波现象【J.Morville，D.Romanini，A.A.Kachanov，and M.Chenevier，“Two schemes for tracedetection using cavity ringdown spectroscopy，”Appl.Phys.B.2004，78，465-476】，本发明通过采用超低损耗离子溅射镀膜技术所镀制的高反射率膜片、并保持其表面清洁度有效地进行了消除，从而极大地提高了光谱系统的测量灵敏度和精度。
下面结合实例进一步阐述本发明。实例中，建立如下光反馈式连续波腔衰荡光谱系统：系统以超低膨胀系数微晶玻璃为腔体材料建立折叠衰荡腔，腔体长为24.9cm、总腔长为49.1cm，折叠角度为7.354°。超低损耗离子溅射镀膜技术镀制的高反膜率腔镜(包括2片曲率半径为8m的平凹端面镜和1片平面折叠镜)首先用激光准直仪对其状态进行精确调节后，然后以光胶的方式固定在腔体各端面上。实例中，将DFB激光器(线宽约2MHz)的工作温度稳定在23.5℃、注入电流稳定在20mA，此时利用高精度波长计WA-1500-NIR测得激光波数为6591.509cm-1。系统通过安置在折叠衰荡腔其中一个端面镜后的压电式腔长调制器推拉腔镜来改变折叠腔的纵模位置，由此实现激光与折叠腔模式之间的谐振。腔透射谐振光经光准直器F240APC-1550聚焦进光纤后，并由分光比为1∶1的光纤分路器分成两束，一束为光反馈信号返回DFB激光器内，另一束为光探测信号被光电探测器PDA10CS直接接收。当光电探测器所获得的腔透射谐振光信号大于设定阈值时，DFB激光器的电流驱动模块在约80ns的时间内关断激光注入电流进行腔衰荡损耗测量，并同时出发高速数据采集卡(50MHz/12Bit)进行数据采集，此时测量结果如图2中子图(a)所示。计算机以f(t)＝a·exp(-t/τ)+b为目标函数拟合腔衰荡数据，拟合结果见子图(a)中虚线所示，从拟合剩余误差(如子图(a)中下图)可知，腔衰荡信号呈理想的单指数衰减。根据拟合得到的腔衰减时间τ，由公式δ＝L/(τ·c)可求得此波长处的腔总损耗值δ＝193.11ppm，其中c为光速，L为总腔长。稳定DFB激光器的工作温度，并在20～80mA范围内扫描～0.154mA为步长扫描DFB激光器的注入激光，测得激光波数调谐范围为6590.302～6591.509cm-1。期间，重复以上单波长腔损耗测量过程可获得整个扫描光谱范围腔内水汽的吸收谱线，结果如图2(b)中虚线所示。经计算，本实验装置在未采取任何防震措施的情况下，其等噪声吸收灵敏度可达～7.5×10-9/cm，而且并未观察到明显的所谓标准具效应及谱线纹波现象。为便于对比，图2中还列举了常规光反馈式方案测得的同光谱范围内的腔损耗谱，如图2中实线所示。可看出，两次测得的腔损耗谱曲线能完全重合。此外，将测得的腔损耗谱线进行分析，可得到3条较为明显的水汽吸收线，它们的光谱位置经校准后分别为6590.524、6590.763及6590.871cm-1，谱线宽度分别为0.0196、0.0205及0.1015cm-1。该测量结果与HITRAN2004数据库所提供的此波段水汽分子谱线参数(光谱位置分别为6590.523、6590.765及6590.871cm-1，谱线宽度分别为0.0185、0.0710及0.1048cm-1)极为接近(6590.765cm-1处的谱线除外)，充分显示了本方案测量结果的可靠性。
Claims (7)
1.一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：
(1)以V型折叠腔作为衰荡腔、以窄带DFB激光器作为光源，激光经光分束器及光准直器后，从折叠腔镜处斜入射到光腔内，通过扫描光学腔的腔长实现激光与光学腔之间的谐振。
(2)从折叠腔镜射出的一路谐振光由光准直器汇聚进光纤内，并被光分束器分为两束。其中一束作为光反馈信号返回DFB激光器内，由此实现激光与光学腔之间的频率锁定以及DFB激光器的谱线压窄；另一束由光电探测器接收，通过其测得的光衰减曲线求得腔的损耗值。
(3)通过DFB激光器的电流调制实现激光的快速开关，通过DFB激光器的温度或电流调谐实现激光波长扫描，由此实现腔内气态介质的吸收光谱测量或者浓度检测。
2.按照权利要求1所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：所述步骤(1)中折叠腔可以为对称或非对称稳定腔结构。
3.按照权利要求1所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：所述步骤(1)中折叠腔各端腔镜反射率大于99.9％，而且越高越好。
4.按照权利要求1所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：所述步骤(1)中DFB激光器的线宽应小于腔内模式间间隔。
5.按照权利要求1所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：所述步骤(2)中光准直器和光分路器可以为自由空间场器件。
6.按照权利要求1所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：所述步骤(2)中光分路器的分光比由光反馈量及腔衰荡信号信噪比共同决定。
7.按照权利要求1所述的一种光反馈式连续波腔衰荡光谱技术，其特征在于：所述步骤(3)中DFB激光器的关断方式可采用专用的光开关器件。
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